Characterization of the oxidative potential of nanoparticles with acellular assays

Abstract

Das oxidative Potential (OP) ist die Fähigkeit Zielmoleküle, wie körpereigene Antioxidantien, zu oxidieren und katalytisch reaktive Sauerstoffspezies zu generieren. Aufgrunddessen ist es ein häufig eingesetzter Parameter, um gesundheitliche Effekte durch die Exposition von Feinstaub und Nanopartikel abzuschätzen. Daher wurde in dieser Arbeit das oxidative Potential der weitverbreiteten industriellen Nanopartikel Titandioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO) und Siliciumdioxid (SiO2) mit den beiden azellulären Assays Dithiothreitol- Assay (DTT) und Ascorbic-Acid-Assay (AA) ermittelt. Hierzu wurden die Nanopartikel in einem simulierten Lungenfluid (SLF) in hoher Konzentration suspendiert. Die Nanopartikel neigten in Suspension mit SLF zur Bildung von unterschiedlich großen Agglomeraten, die unter anderem von der Partikelkonzentration und der Dispersionsmethode abhängig sind, weshalb eine einheitliche Probenvorbereitungsroutine erstellt werden musste. Es konnte gezeigt werden, dass Zinkoxid zu einem verstärken Abbau der Ascorbinsäure führt, wohingegen bei Titandioxid und Siliciumdioxid sowohl beim DTT- als auch beim AA-Assay kein Abbau festgestellt werden konnte. Im Gegensatz hierzu zeigte Zinkoxid beim DTT-Assay eine stabilisierende Wirkung, die eventuell auf eine Komplexierung des DTT mit gelösten Zinkionen zurückzuführen ist. Das massebasierte oxidative Potential der Nanopartikel, welches mittels DTT-Assay bestimmt wurde, wurde außerdem mit jenem von Feinstaubproben (PM) verglichen, die mit einem ähnlichen Ansatz untersucht wurden.

Oxidative potential (OP) is the ability to oxidize target molecules, such as endogenous antioxidants, and to catalytically generate reactive oxygen species. Hence, it is a commonly used parameter to estimate health effects from exposure to particulate matter and nanoparticles. In this work, the oxidative potential of the widely used industrial nanoparticles titanium dioxide (TiO2), zinc oxide (ZnO), and silicon dioxide (SiO2) was determined using the two acellular assays dithiothreitol- assay (DTT) and ascorbic acid (AA) assay. For this purpose, the nanoparticles were suspended in a simulated lung fluid (SLF) at high concentration. The nanoparticles tended to form agglomerations of different sizes in suspension with SLF, so a uniform sample preparation routine had to be established. It could be shown that ZnO leads to an increased degradation of ascorbic acid, whereas no degradation could be detected for TiO2 and SiO2 in both the DTT and AA assays. In contrast, ZnO showed a stabilizing effect in the DTT assay, possibly due to complexation of DTT with dissolved zinc ions. The mass-based OP of the nanoparticles determined by DTT assay was also compared with that of ambient particulate matter.